[发明专利]用于圆环形阵的模态波束形成器及频域宽带实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及阵列信号处理领域，特别涉及一种用于圆环形阵的模态波束形成器及频域带宽实现方法。

背景技术

波束形成处理广泛应用于麦克风阵列、声呐、雷达和无线通信等领域。一般的阵元域波束形成的处理过程为：采用空间分布的传感器阵列采集数据，然后对所采集的阵列数据进行线性加权组合处理，得到一个标量波束输出。能够实现上述处理过程的装置被称为波束形成器。通过设计加权系数，阵列接收系统响应具有方向性，因此波束形成器可用于进行空域滤波，提高信噪比。

在已有的发明专利（参见参考文献1：鄢社锋等，用于球面阵的时域宽带谐波域波束形成器及波束形成方法，ZL201010186643.1）中，提出了一种针对球形阵列的谐波分解与滤波求和处理的时域宽带波束形成器实现方法。该专利中详尽的描述了谐波域波束形成器在球形阵列上的设计步骤与最终的波束形成器的结构。但是其设计与实现的结果只适用于球形阵列。

由于阵型简单，圆环形阵列在设计与布放等各方面都有着很广泛的应用。而基于圆环形阵列的波束形成器，由于其对称的阵型，在阵列所在的水平面上有着全方向的观测能力，因此基于圆环形阵列的模态波束形成器成为近年的研究热点之一。

近年来，许多文献中提到了针对圆环形阵列的模式波束形成方法，如参考文献2：H.Teutsch and W.Kellermann,“Acoustic source detection and localization based on wavefield decomposition using circular microphone arrays,”J.Acoust.Soc.Amer.，vol.120,no.5,pp.2724–2736,Nov.2006.”，在该篇文献中作者使用一个有挡板的圆环阵列进行声场分解和声源定位，给出了基于本征值的圆环阵列模态波束形成器的模型。但是众多文献中并没有考虑对所述波束形成器的参数（如波束形成器的稳健性、对干扰的抑制能力、期望主瓣响应误差等）进行约束波束优化设计，导致这些方法对传感器阵列的各种适配敏感，难以实用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的了针对圆环形阵列的模式波束形成方法稳健性差导致实用性不高的缺陷，从而提供一种用于圆环形阵的模态波束形成器及频域带宽实现方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于圆环形阵的模态波束形成器，包括：采样缓存DFT单元（1）、圆环谐波数据变换单元（2）以及波束合成单元（3）；其中，所述采样缓存DFT单元（1）包括M路，每一路中至少包括有一模数转换器、一缓存、一离散傅里叶变换器，所述圆环谐波数据变换单元（2）包含多个子单元，每一子单元都与所述圆环谐波数据变换单元（2）的M路相连；所述波束合成单元（3）包括多个子带波束合成器与一离散傅里叶逆变换器，所述圆环谐波数据变换单元（2）中的一个子单元对应连接到波束合成单元（3）中的一子带波束合成器，各个子带波束合成器都与所述离散傅里叶逆变换器连接；所述圆环谐波数据变换单元（2）中的子单元的个数以及所述波束合成单元（3）中的子带波束合成器的个数都与模态波束形成器的工作频带的子带数目有关；其中，

所述采样缓存DFT单元（1）采集圆环形阵中的阵元所接收的信号，生成M路阵元域子带数据并输入到所述圆环谐波数据变换单元（2）；所述圆环谐波数据变换单元（2）的各个子单元分别对M路阵元域子带数据进行处理，得到并输出圆环谐波数据；所述圆环谐波数据分别输入所述波束合成单元（3）中的各子带谐波域波束形成器，得到谐波域频域子带数据，然后将各个谐波域频域子带数据做加权和，得到波束输出频域数据，最后由所述波束合成单元（3）中的离散傅里叶逆变换器统一做离散傅里叶逆变换，得到波束输出数据序列。

本发明还提供了基于所述的用于圆环形阵的模态波束形成器所实现的频域宽带实现方法，包括：

步骤1）、对圆环形阵所输入的信号做时间采样，对所得到的时间采样数据进行离散傅里叶变换处理，获得阵元域频域数据，再对阵元域频域数据进行圆傅里叶变换，得到圆环形阵频域谐波域数据，进而从中选取工作频带范围内的圆环形阵频域谐波域子带数据；

步骤2）、构造用于圆环形阵的模态波束形成器的性能参数与模态波束形成子带加权向量之间的关系表达式；

步骤3）、针对步骤1）中所选取的各圆环形阵频域谐波域子带数据，确定多个指标，将其中任意一个指标作为代价函数，其余指标作为约束值，构造子带谐波域波束形成器优化设计表达式；